制动器箱体零件液压自动夹具的设计

叶　寒，郭映芝，刘　华，江　涛，戴　琳，张　军

(1.南昌大学 机电工程学院，南昌　330031；2.江西佳时特数控技术有限公司，南昌　330009)



制动器箱体零件液压自动夹具的设计

叶寒1，郭映芝1，刘华2，江涛2，戴琳2，张军2

(1.南昌大学 机电工程学院，南昌330031；2.江西佳时特数控技术有限公司，南昌330009)

摘要：根据某风电偏航制动器箱体类零件结构和自动化加工要求，拟定了符合企业生产条件和要求的加工工艺，并设计了该零件第一道加工工序的机床夹具。针对箱体零件结构复杂、要加工的面和孔多的问题，合理的选择了定位方案，并设计自动找正结构实现工件的自动找正，以减小工件装夹时产生的定位误差；同时使用转角油缸来实现工件的自动夹紧。目前，该套夹具已经应用于实际生产，满足零件的尺寸精度要求和自动化生产线产量要求。

关键词：自动化生产线；箱体零件；夹具设计；自动找正

0引言

自动化生产线是以多台数控机床为核心，通过机器人及自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行控制和管理的一种自动化制造系统[1]。数控机床夹具是生产线中一个重要的组成部分，对零件的加工质量、生产率和产品成本有着直接的影响。自动生产线要求机械手能将工件放入夹具中和从夹具中取出，因此要求夹具有一端是敞开的，方便工件的取放[2]。由于整个生产过程是自动进行的，要求夹具能对工件进行自动装夹和定位，因此设计的夹具应该为自动夹具。本文在UG NX平台上，设计了零件自动化生产线第一道工序的自动机床夹具。

1零件加工工艺

本零件为某风电偏航制动器箱体类零件，毛坯为铸件，材料为球墨铸铁(QT-500-7)，其毛坯图如图1所示。箱体是支承或安装其它零、部件的基础零件，加工质量影响到机器的工作精度、使用性能和寿命[3]。箱体零件机构复杂，加工面多，其加工表面主要为平面和孔，其零件图如图2所示。

图1　零件毛坯

本零件主要的尺寸要求为箱体内腔和孔。根据基准重合原则、统一基准原则、便于装夹原则，选用零件底面(A面)为精基准。这样可以定位稳定可靠，箱体开口朝上，便于镗两个内腔孔和加工上表面。便于在加工时，采用一面两销的定位方式。这样的定位方式简单安全可靠，便于装卸工件，保证孔的加工精度[4]。粗基准的选择影响位置精度，各加工表面的余量的大小。本零件的重要加工表面为上顶面(C面、D面)，根据重要表面余量均匀原则，余量足够原则，便于工件装夹原则，选取C面、D面为粗基准。

图2　零件图

根据先粗后精、先基准后其它、先平面后孔、先主后次等原则，零件大批量生产的加工工序安排方案如表1所示。

表1　零件批量生产加工工序安排

零件的第一道工序是加工平面A和钻8个φ26的孔，零件的底面为大端面，采用铣削加工，使用面铣刀。为了提高效率，节约成本，采用U钻进行钻孔,其工艺如表2所示。

表2　第一道工序加工工艺方案

2夹具的设计

2.1定位方案和定位元件的选择

定位就是确定工件在夹具中占有正确位置的过程。任何一个物体在空间直角坐标系中都有6个自由度，对工件定位就是限制自由度。工件加工时并不一定要限制6个自由度，只需要限制哪些影响工件加工要求的自由度[5]。

铣平面只需限制3个自由度，一个移动自由度(Z方向的移动)，两个转动自由度(绕X,Y的转动)。钻孔要限制4个自由度，两个移动自由度(X,Y方向的移动)，两个转动自由度(绕X,Y的转动)。8个孔的相对位置是固定的，为了保证加工时孔的位置，绕Z的转动的自由度也需要限制，因此工件需要完全定位。

使用前面已经选好的粗基准作为主要定位面，由于工件的定位基准为平面，选用支撑钉作为定位元件。使用3个支撑钉分别作用于C面、D面，限制三个自由度，一个移动自由度，两个转动自由度。因为加工平面在D面这端，这边承受的力更大，所以D面这端放两个支撑钉。E面分散布置两个支撑钉，限制两个自由度，一个移动自由度，一个转动自由度。F面放置一个支撑钉，限制一个移动自由度，这样就实现了工件的完全定位，如图3所示。根据国家标准GB2226- 1991，选择A 型支撑钉。为了提高平面支撑的刚度，保证加工精度，增加两个液压锁紧辅助支撑，分别布置在C面的两侧。

图3　工件工序简图

2.2自动找正结构的设计

在自动化生产线中，工件由机器手抓取后放入夹具中，由于本道工序加工的对象为铸件毛坯，而对于一些结构复杂的铸件毛坯，其定位基准面的制造误差可能达到几毫米，这使得机器手在抓取工件放入夹具内时会出现较大的误差和干涉。由于定位基准面存在误差，因此一般都会在定位基准和定位面之间会留有一定的间隙补偿量，从而工件放入夹具中后需要进行找正。可以通过模拟人工找正的过程，来进行自动找正结构的设计。

本设计采用液压缸推动工件，使其与支撑钉接触，来实现自动找正并且夹紧工件。如图4所示，在工件的H面放置两个液压缸(图中7)，G面放置一个液压缸(图中9)，液压缸通过推动支撑钉来推动工件。当这几个液压缸同时推动工件，使其与E面和F面的支撑钉接触，实现工件的找正，同时液压缸也能起到夹紧工件的作用。由于支撑钉作用在工件侧面，为了防止工件滑动，选择C型支撑钉，以增大摩擦系数[6]。

1.基脚 2.夹具体 3.E面支撑钉装置 4.转角油缸 5.F面支撑钉装置

2.3夹紧结构的设计

2.3.1夹紧结构的设计

夹紧机构要求夹紧后不能破坏工件定位后的正确位置，而且结构紧凑，便于制造和维修。对夹紧元件的尺寸及位置进行设计时，应注意不能与本道工序各表面加工时所使用的刀具干涉。夹紧力的大小也会影响工件的加工质量，在装夹的过程中，如果夹紧力太小则会出现让刀(在加工过程中出现的一种弹性变形现象)，夹紧力过大则会造成工件产生装夹变形，故夹紧力的大小要适中[7]。

本夹具是在自动化生产线上使用，因此夹紧机构应该为自动夹紧机构。由于液压夹紧装置具有工作压力高，传动力大，工作平稳，噪声小，结构简单等特点，所以本夹具选用液压夹紧装置。一般夹紧力作用在主要定位面上，工件的主要定位面为C面、D面，因此主要夹紧力应该作用在工件的A面或B面，而A面为加工面，固夹紧力选择施加在B面上。夹紧力的作用方向应尽量与切削力、工件重力方向一致，以减小所需夹紧力，工件钻孔时的切削力方向向下，因此夹紧力的方向应该竖直向下。夹紧装置选用转角油缸来实现工件的自动夹紧，分别在工件的两侧各设置一个转角油缸。自动找正结构在对工件进行自动找正的过程中已经对工件的侧面进行了夹紧，从而工件被完全夹紧了，如图5所示。

图5　夹具的装配图

2.3.2夹紧力的计算

根据工件的材料和刀具的型号，通过查《金属切削机床夹具设计手册》表3-73可知铣平面时的切削力的计算公式为:

其中D为刀具直径，ap为铣削深度，af为每齿进给量，为铣削宽度，Z为铣刀齿数。

由于D=100mm，αf=0.04mm，αp=4mm，αw=80mm，Z=8，则F=762.8N。

通过查《金属切削机床夹具设计手册》表3-71可知钻孔时的切削力和切削转矩的计算公式为:

F=410D1.2f0.7Kp,M=120D2.2f0.8Kp

其中D为刀具直径，f为每转进给量，Kp为修正系数。

由于D=26mm，f=0.25mm，Kp=0.95，则切削力F=6903.1N，M=48775.1N·mm。

由于工件竖直方向的夹紧力的方向为竖直向下，与钻孔时工件受到的切削力方向一致，因此两个转角油缸只需施加较小的夹紧力来防止工件加工时产生的震动。工件水平方向受到的力为铣削时产生的切削力和钻孔时产生的转矩，即理论夹紧力F0=F铣+M/d，其中d为孔的轴线到夹紧位置的距离。根据上面算出的切削力大小可以得出：

F0=762.8+48775.1/110=1206.2N

实际夹紧力F=F0K，其中K=K0K1K2K3K4K5K6，通过查《金属切削机床夹具设计手册》3·1·2，各个因素所需的安全系数分别取如下值，K0=1.5，K1=1.2，K2=1.5，K3=1.2，K4=1.0，K5=1.0，K6=1.5，则K=4.86。

F=4.86×1206.2=5862.1N

因此夹具侧面的夹紧力为5862.1N，在实际生产过程中，可以根据实际零件加工的效果，适当的调整夹紧力的大小，以便零件的加工质量达到最优。

2.4夹具体的设计

夹具体是夹具的基础部件，夹具的各个部分都安装在夹具体上。夹具体的形状和尺寸要求取决于夹具各个装置布置情况和工件的外廓尺寸等。本夹具的夹具体如图6所示，夹具体安装在基脚上，通过基脚将夹具安装到机床上。

图6　夹具体

夹具的自动找正结构使用了3个液压缸，夹紧装置使用了2个转角油缸，辅助支撑使用了两个油箱，因此需要设计各个油缸的进出油路。夹具体的油路如图7所示，图中1、3分别为自动找正结构的三个液压油缸的进出油路，2为液压锁紧辅助支承的油路，4、5分别为夹紧结构中两个转角油缸的进出油路，6、7分别为转角油缸油路的堵头。

图7　夹具体油路

3生产与应用

目前，夹具已经用于实际生产，夹具如图8所示。本夹具能够实现零件的加工且加工后的工件尺寸在允许的误差范围内，满足零件的生产要求。本零件要求每天至少生产100件(按每天24h计算)，则生产一件的时间为14.4min，因此每道工序的生产时间(包含工件搬运的时间)不能超过14.4min。实际生产中本道工序所需的时间为11.65min，小于每道工序最大耗时14.4min，满足产量要求。

图8　夹具

4总结

通过对零件的零件图和毛坯进行分析，拟定了该零件的加工工艺，根据第一道工序的要求设计了使用夜压夹紧，能够实现自动找正的自动夹具。该夹具的设计思路，特别是自动找正结构对其它同类零件有借鉴意义。生产实践表明，夹具满足工件的加工精度和产量要求。

[参考文献]

[1] 吴明亮，樊明龙.自动化生产线技术[M].北京：化工工业出版社，2011.

[2] 王光斗，王春福.机床夹具设计手册[M].上海：上海科学技术出版社，2000.

[3] 李慧，马正先.机械结构设计与工艺性分析[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4] 马进中.数控加工中夹具设计对零件加工精度的影响[J].机械制造与自动化,2007(5):72-74．

[5] 张世昌.机械制造技术基础[M].北京：高等教育出版社，2002．

[6] 王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2006．

[7] 孙燕华，唐立平，李薇.发动机齿轮室盖液压自动夹具设计[J].机床与液压，2011，39(16)：30-33．

[8] 浦林祥.金属切削机床夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，1995．

(编辑赵蓉)

Design of Hydraulic Automatic Fixture for Brake Box Parts

YE Han1, GUO Ying-zhi1, LIU Hua2, JIANG Tao2, DAI Lin2, ZHANG Jun2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China;2.Jiangxi Just Numerical Control Technology Co., Ltd, Jiangxi 330009,China)

Abstract：According to the structure and automatic machining requirement of the wind power yaw brake box parts, the machining process of the part which conform the requirements of the production conditions and requirements is proposed, and the machine tool fixture of the first process is designed. The box parts is complex structure and there are many surface and hole need to machine. Focusing on these problems, this paper was a reasonable choice of the positioning scheme, and designed the structure of automatic search to achieve automatic search for right place of the workpiece in order to reduce the positioning error caused by the clamping of the workpiece. At the same time, it was used corner cylinder to realize automatic clamping of the workpiece. At present, the fixture has been applied in practical production. It was meet the requirement of the dimension accuracy of the parts and the production requirements of the automatic production line.

Key words：automatic production line; box parts; fixture design; automatic search

文章编号：1001-2265(2016)05-0147-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.040

收稿日期：2015-07-16；修回日期：2015-08-27

作者简介：叶寒(1976—)，男，江西进贤人，南昌大学副教授，研究领域为制造自动化，(E-mail)nuaayehan@163.com。

中图分类号：TH16;TG65

文献标识码：A